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COMPORTAMENTO MECÂNICO DE FIOS DE LIGA COM MEMÓRIA DE FORMA

NI-TI SOLDADOS POR PULSOS DE TIG: INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO

TÉRMICO DE PRÉ-SOLDAGEM

L. F. A. Rodrigues, F. A. Amorim, J. V. Q. Marques, C. J. de Araújo

Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)

Av. Aprígio Veloso, 882, Bairro Universitário, CEP: 58429-140,

Campina Grande – PB.

RESUMO

Neste trabalho foi realizada uma análise experimental da influência de tratamentos

térmicos a diferentes temperaturas sobre o comportamento mecânico de fios de liga

Ni-Ti com efeito de memória de forma soldados por pulsos de TIG. Para isso, fios de

Ni-Ti com diâmetro de 1,5 mm, no estado como recebidos, foram previamente

tratados termicamente a 450 °C, 550 °C e 650 °C por 20 min. Parte dos fios foram

cortados e unidos por pulsos de solda TIG. A partir da obtenção das juntas soldadas

foram realizados testes de tração para verificar os níveis de tensão e deformação

máximos alcançados pelas juntas em comparação com o material integro. Também

foi realizada microscopia ótica das juntas para verificar o aspecto da região soldada.

Além disso, amostras dos fios foram submetidas a ensaios de calorimetria diferencial

de varredura (DSC) para verificar a influência da soldagem nas temperaturas de

transformação de fase dos fios de LMF. Foi observado que a temperatura do

tratamento térmico tem influência direta nas propriedades mecânicas dos fios Ni-Ti

contendo as juntas de solda, alterando consideravelmente os níveis de tensão e

deformação máxima além de promover alterações na transformação de fase do

material.

Palavras-chave: Soldagem TIG, Ligas com Memória de Forma, Ni-Ti,

Comportamento Mecânico.

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

4716

INTRODUÇÃO

As ligas com memória de forma (LMF) são materiais metálicos que podem

sofrer grandes deformações (até 8 %) de maneira reversível, quando submetidas a

variações de temperatura ou simples carregamento e descarregamento mecânico.

Portanto, são materiais avançados, funcionais, considerados elementos senso-

atuadores por natureza.

O processamento destas LMF através de processos de soldagem pode

promover o desenvolvimento de atuadores com formatos mais complexos (1). O

método que tem se mostrado mais eficaz, e que por isso vem sendo mais estudado,

é a soldagem a laser, devido a sua alta precisão e reduzida dimensão da zona

afetada pelo calor (ZAC) (2,3,4).

Por outro lado, a união de LMF de Ni-Ti utilizando o processo TIG (Tungsten

Inert Gas), que é mais simples e barato em comparação com a soldagem laser, é

muito pouco estudado (5,6).

Sendo assim, nesse trabalho foi realizada uma análise experimental para

identificar a influência de tratamentos térmicos de pré-soldagem (ou seja, antes da

operação de soldagem), em juntas de Ni-Ti soldadas por pulsos de TIG. Para esse

estudo foram usadas técnicas de calorimetria diferencial de varredura (DSC),

microscopia ótica (MO) e ensaios de tração uniaxial.

MATERIAIS E METÓDOS

Para o desenvolvimento deste trabalho foram empregados fios de Ni-Ti com

diâmetro de 1,5 mm, adquiridos junto a empresa Nimesis (França). O fluxograma da

Fig. 1 descreve resumidamente a metodologia adotada.

Os fios inicialmente brutos de fabricação (encruados a frio) não apresentam

qualquer transformação de fase que possa dar origem aos fenômenos de memória

de forma. Assim, estes fios foram tratados termicamente a 450 ºC, 550 ºC e 650 ºC

por 20 minutos em um forno de resistência elétrica da marca EDG, modelo Titan

Platinium Quartz. Esse tratamento visa eliminar o encruamento oriundo do processo

de fabricação e liberar a transformação martensítica reversível que origina os

comportamentos especiais deste material.

Após os tratamentos térmicos, uma amostra de cada fio Ni-Ti tratado

termicamente foi separada para ser mantida integra e outra foi cortada, utilizando


4717

uma cortadeira metalográfica de precisão, para ser submetida ao processo de

soldagem TIG.

Figura 1. Fluxograma da metodologia empregada no trabalho.

A soldagem de topo, autógena, sem qualquer metal de adição, foi realizada

utilizando uma soldadora por pulsos de TIG fornecida pela EDG Equipamentos e

Controles, modelo MicroMelt. A potência máxima desse equipamento é de 3kW. Os

parâmetros de tempo e profundidade de pulso usados na soldadora foram regulados

em 03-03. Foram necessários 2 pulsos TIG, aplicados em 180° um do outro para se

obter uma junta soldada completa.

Os fios Ni-Ti íntegros e soldados foram então submetidos a ensaios de tração

até a ruptura a temperatura ambiente em uma máquina universal de ensaios Instron,

modelo 5582. A taxa de deslocamento durante os testes foi de 0,5 mm/min e o

comprimento útil usado foi de 30 mm.

Análises térmicas em um Calorímetro Diferencial de Varredura (DSC), marca

TA Instruments, modelo Q20, na faixa de temperatura de - 60 °C a 100 oC foram

realizados nos fios Ni-Ti íntegros e soldados, com o intuito de verificar a influência

da união soldada e dos tratamentos térmicos nas temperaturas de transformação de

fase do fio Ni-Ti.

Além disso, foram obtidas imagens das juntas soldadas através de microscópio

ótico (MO) com aumento de 50 vezes.

Tratamento

térmico (550 °C) Tratamento

térmico (450 °C)

Fio Integro

Tratamento

térmico (650 °C)

Fio Soldado

Corte e lixamento

Tração

DSC MO


4718

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Comportamento Mecânico

A Fig. 2 mostra os resultados de ensaios de tração até a ruptura dos fios de

LMF Ni-Ti íntegros e soldados, após os diferentes tratamentos térmicos antes da

operação de soldagem. De uma forma geral, observa-se que o aumento das

temperaturas de tratamento térmico leva a uma redução da tensão limite de ruptura

e aumento significativo do alongamento até a ruptura. Isto ocorre devido a continua

restauração da estrutura do fio causada pelos tratamentos de recozimento,

principalmente considerando que 650 oC corresponde a temperatura de

recristalização da LMF Ni-Ti.

Portanto, verifica-se que o fio Ni-Ti integro tratado termicamente a 450 °C tem

uma tensão máxima (máx) na ruptura de aproximadamente 1500 MPa e deformação

máxima (máx) da ordem de 23,2 %. Já o fio Ni-Ti submetido ao mesmo tratamento e

posteriormente submetido a soldagem por pulsos TIG apresenta uma tensão

máxima de 370 MPa, o que corresponde a apenas 24,7 % da tensão máxima do fio

integro e uma deformação máxima de 9,2 %, o que representa 39,4 % daquela

verificada para o fio integro. O fio Ni-Ti integro tratado termicamente a 550 °C

apresenta uma tensão máxima na ruptura de aproximadamente 1030 MPa e

deformação máxima de 48,2 %. O fio Ni-Ti submetido a esse mesmo tratamento e

depois soldado apresenta uma tensão máxima de 440 MPa, o que corresponde a

42,7 % da tensão máxima do fio integro e uma deformação máxima de 12,0 %, o

que representa 25,0 % da do fio integro. Para o fio Ni-Ti integro, tratado

termicamente a 650 °C, correspondente a temperatura de recristalização da LMF Ni-

Ti (7), foi observada uma tensão máxima na ruptura de aproximadamente 890 MPa

e deformação máxima de 97,0 %, enquanto o fio soldado tem uma tensão máxima

de 410 MPa, o que corresponde a 46,1 % da tensão máxima do fio integro e uma

deformação máxima de 14,5 %, o que representa 15,0 % da do fio integro. A Tab. 1

resume os resultados dos testes de ruptura para os fios Ni-Ti íntegros e soldados.

Em todos os casos, conforme revela a Fig. 2, mesmo os fios Ni-Ti soldados

apresentando menor resistência mecânica e alongamento, o processo de orientação

de variantes de martensita representado pelos patamares de tensão que ocorrem a

200 MPa e 100 MPa para os fios Ni-Ti tratados a 450 oC e 550 oC/650 oC,

respectivamente, não é impedido pelo processo de soldagem. Na prática, isso


4719

significa que todos os fios de LMF Ni-Ti soldados podem apresentar efeito de

memória de forma por deformação pseudo plástica até 8 % seguida de aquecimento.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Tensao (

MP

a)

Deformaçao (%)

Integro 450 °C

Soldado 450 °C

0 10 20 30 40 500

200

400

600

800

1000

1200

Te

nsa

o (

MP

a)

Deformaçao (%)

Integro 550 °C

Soldado 550 °C

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

200

400

600

800

1000

Tensao (

MP

a)

Deformaçao (%)

Integro 650 °C

Soldado 650 °C

Figura 2. Comportamento tensão – deformação até a ruptura de fios Ni-Ti íntegros e

soldados após tratamentos térmicos por 20 minutos. (a) 450 °C, (b) 550 °C e (c)

650°C.

Tabela 1. Parâmetros de ruptura de fios Ni-Ti íntegros e soldados.

Tratamento

Térmico

máx (MPa)

Integro

máx (MPa)

Soldado

máx (%)

Integro

máx (%)

Soldado

450 1500 370 23,2 9,2

550 1030 440 48,2 12,0

650 890 410 97,0 14,5

A Fig. 3 mostra, respectivamente em (a) e (b), a superposição dos

comportamentos até a ruptura dos fios Ni-Ti íntegros e soldados após os diferentes

tratamentos térmicos empregados.

(a) (b)

(c)


4720

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Tensao (

MP

a)

Deformaçao (%)

Integro 450 °C

Integro 550 °C

Integro 650 °C

0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

100

200

300

400

500

600

Tensao (

MP

a)

Deformaçao (%)

Soldado 450 °C

Soldado 550 °C

Soldado 650 °C

Figura 3. Superposição dos comportamentos tensão – deformação até a ruptura de

fios Ni-Ti tratados a 450 °C, 550 °C e 650 °C por 20 minutos. (a) Fios íntegros. (b)

Fios soldados.

Conforme é possível observar a partir das Figs. 3(a) e 3(b), os fios Ni-Ti

íntegros e soldados após tratamentos a temperaturas mais baixas são menos

dúcteis do que aqueles tratados a temperatura mais altas. Porém, considerando que

o fenômeno de memória de forma é potencializado pela imposição de deformações

plásticas entre 6 e 8 %, seguidas de aquecimento, verifica-se que todos os fios

soldados podem apresentar esse fenômenos sem romper no primeiro ciclo

termomecânico.

Comportamento Térmico

A Fig. 4 mostra os resultados dos ensaios de análise térmica via DSC de fios

Ni-Ti íntegros e soldados após tratamentos térmicos a 450 °C, 550 °C e 650 °C

durante 20 minutos. Verifica-se claramente da Fig. 4 que o processo de soldagem

por pulsos TIG gera uma “perturbação” no comportamento da transformação de fase

dos fios de LMF Ni-Ti, além de alterar ligeiramente as temperaturas de transição de

fase do material. Esse comportamento está de acordo com o observado em

trabalhos recentes da literatura (1).

Para os fios de LMF Ni-Ti íntegros, observa-se que os tratamentos de

recozimento (450 °C e 550 °C) levam ao aparecimento de dois picos de

transformação durante o resfriamento. O primeiro pico corresponde a transformação

da austenita em uma martensita romboédrica (fase R) enquanto o segundo

corresponde a conversão da martensita romboédrica em martensita monoclínica

(B19’) (7). Por outro lado, o tratamento de recristalização a 650 °C elimina

completamente essa transformação em 2 etapas no resfriamento. Em todos os

(a) (b)


4721

casos, a reversão martensita – austenita durante o aquecimento ocorre em uma

única etapa, levando ao aparecimento de um único pico de transformação. Observa-

se também que as temperaturas de transformação do fio Ni-Ti aumentam com o

aumento das temperaturas de tratamento térmico. Por exemplo, observando o pico

de transformação no aquecimento, verifica-se que a temperatura de pico aumenta

de aproximadamente 58 oC para o recozimento a 450 oC para 73 oC no caso da

recristalização a 650 oC, o que corresponde a um incremento de 15 oC na

transformação reversa (martensita – austenita)

A Fig. 4 revela também, qualitativamente, que o processo de soldagem

origina perturbações nas transformações de fase dos fios Ni-Ti, representadas pela

presença de múltiplos picos tanto na transformação direta (resfriamento) quanto na

reversa (aquecimento). Esse comportamento pode ser atribuído à introdução de

defeitos de soldagem na região da união.

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Aquecimento

Flu

xo d

e C

alo

r (W

/g)

Temperatura (°C)

Integro 450 °C

Soldado 450 °C

Resfriamento

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Flu

xo d

e C

alo

r (W

/g)

Temperatura (°C)

Integro 550 °C

Soldado 550 °C

Resfriamento

Aquecimento

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Flu

xo d

e C

alo

r (W

/g)

Temperatura (°C)

Integro 650 °C

Soldado 650 °C

Aquecimento

Resfriamento

Figura 4. DSC de fios Ni-Ti íntegros e soldados tratados termicamente. (a) 450 °C.

(b) 550 °C. (c) 650 °C.

(a)

(b)

(c)


4722

Análise Microestrutural

As Figs. 5, 6 e 7 mostram as imagens obtidas por microscopia ótica para as

juntas soldadas de fios LMF Ni-Ti. É possível observar, conforme representado na

Fig. 5, que os grãos colunares das juntas se iniciam no centro da solda partindo da

extremidade e tentem a se direcionar para dentro do fio. Os grãos colunares centrais

tendem a ser paralelos ao centro da solda. Além disso, a região de encontro dos

pontos de solda apresenta forma de cunha, o que pode induzir concentrações de

tensão na região. Esses fatos podem estar relacionados a ruptura da junta que

ocorreu no centro da solda. Nas micrografias também é possível verificar a presença

de poros.

Figura 5. Micrografia ótica da junta obtida para o fio tratado a 450 °C.


Grãos colunares

Centro da solda

Formato de cunha

Poros


4723


CONCLUSÕES

De acordo com os resultados obtidos, é possível concluir que:

A deformação máxima e a tensão máxima dos fios Ni-Ti são reduzidas

pelo processo de soldagem, para a mesma temperatura de tratamento

térmico;

O procedimento de soldagem gera uma “perturbação” no comportamento

da transformação de fase do fio Ni-Ti, além de alterar as temperaturas de

transição de fase do material;

A região de encontro dos pontos de solda apresenta forma de cunha,

podendo induzir concentrações de tensão na região durante os ensaios de

tração. A forma como ocorreu a ruptura, que se deu no centro da solda,

pode estar relacionada a maneira como ocorre o crescimento dos grãos

colunares e ainda a concentração de tensão associada a formação da

região em cunha.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento dos projetos: INCT de

Estruturas Inteligentes em Engenharia (Processo no 574001/2008-5), Casadinho

UFCG-UFRJ-ITA (Processo no 552199/2011-7), Bolsa de Doutorado CNPq –

Petrobrás (Processo no 503082/2011-2) e ao Instituto Federal de Educação, Ciência

e Tecnologia da Paraíba (IFPB) pelo financiamento da participação do autor principal

no evento.

Poros


4724

REFERÊNCIAS

1 - DELOBELLE, V.; DELOBELLE, P.; LIU, Y.; FAVIER, D.; LOUCHE, H.; Resistance

welding of NiTi shape memory alloy tubes. Journal of Materials Processing

Technology. v. 213, p. 1139 – 1145, 2013.

2 - SONG, Y.; LI, W.; LI, L.; ZHENG, Y.; The influence of laser welding parameters

on the microstructure and mechanical property of the as-jointed NiTi alloy wires.

Materials Letters. V. 62, p 2325-2338, 2008.

3 - CHAN, C.; MAN, H.; CHENG, F.; Fatigue behavior of laser-welded NiTi wires in

small strain cyclic bending. Materials Science & Engineering A. v. 559, p 407-415,

2013.

4 - MIRSHEKARI, G.; SAATCHI, A.; KERMANPUR, A.; SADRNEZHAAD, S.; Laser

welding of NiTi shape memory alloy: Comparison of the similar and dissimilar joints

to AISI304 stainless steel. Optics & Laser Technology. v. 54, p. 151 – 158, 2013.

5 - IKAI, A.; KIMURA, K.; TOBUSHI, H.; TIG welding and shape memory effect of

TiNi shape memory alloy. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,

v. 7, p 646-655, 1996.

6 - FOX, G.; HAHNLEN, R.; DAPINO, M.; TIG welding of nickel-titanium to 304

stainless steel. Anais do ASME 2011 Conference on Smart Materials, Adaptive

Structures and Intelligent Systems, Volume 1, Arizona, USA, 18-21, 2011.

7 - OTSUKA, K.; WAYMAN, C.M,. Shape memory materials. Cambridge, UK:

Cambridge University Press, 1998.

MECHANICAL BEHAVIOUR OF Ni-Ti SHAPE MEMORY ALLOY WIRES WELDED

BY TIG PULSES: INFLUENCE OF PRE-WELDING HEAT TREATMENTS

ABSTRACT

In this work an experimental analysis of the influence of thermal treatment on the

mechanical behavior of shape memory Ni-Ti wires welded by TIG pulse was

performed. For this, Ni-Ti wires with 1.5 mm in diameter were pre-annealed at 450°C,

550°C and 650°C for 20 min. From the obtained welded joint tensile tests to obtain

strength levels and maximum deformation reached by the joints compared to the as-

received material were performed. Some wires were cut, sanded and welded by TIG.

Optical Microscopy of the joints areas to show its aspects were performed. In


4725

addition, DSC tests to check the influence of the weld joint at phase transformation

temperatures of SMA NiTi wires were carried out. It was observed that the heat

treatment temperature has a direct influence on the joints properties, considerably

changing strength levels and maximum deformation and promote changes in the

phase transformation temperature of the material.

Keywords: TIG Welding, Shape Memory Alloys, NiTi, Mechanical Behavior.


4726

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